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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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59documents trouvés

17170
23/05/2017

System design of a low-power three-axis underdamped MEMS accelerometer with simultaneous electrostatic damping control

L.CIOTIRCA

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 23 Mai 2017, 180p., Président: P.BENECH, Rapporteurs: J.JUILLARD, P.NOUET, Examinateurs: O.BERNAL, Directeurs de thèse: H.TAP , N° 17170

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Résumé

L’intégration de plusieurs capteurs inertiels au sein d’un même dispositif de type MEMS afin de pouvoir estimer plusieurs degrés de liberté devient un enjeu important po ur le marché de l’électronique grand public à cause de l’augmentation et de la popularité croissante des applications embarquées. Aujourd’hui, les efforts d'intégration se concentrent autour de la réduction de la taille, du coût et de la puissance consom mée. Dans ce contexte, la co - intégration d’un accéléromètre trois - axes avec un gyromètre trois - axes est cohérente avec la quête conjointe de ces trois objectifs. Toutefois, cette co - intégration doit s’opérer dans une même cavité basse pression afin de prés erver un facteur de qualité élevé nécessaire au bon fonctionnement du gyromètre. Dans cette optique, un nouveau système de contrôle, qui utilise le principe de l’amortissement électrostatique, a été conçu pour permettre l’utilisation d’un accéléromètre sou s - amorti naturellement. Le principe utilisé pour contrôler l’accéléromètre est d’appliquer dans la contre - réaction une force électrostatique générée à partir de l’estimation de la vitesse du MEMS. Cette technique permet d’augmenter le facteur d’amortisseme nt et de diminuer le temps d’établissement de l’accéléromètre. L’architecture proposée met en œuvre une méthode novatrice pour détecter et contrôler le mouvement d’un accéléromètre capacitif en technologie MEMS selon trois degrés de liberté : x, y et z. L 'accélération externe appliquée au capteur peut être lue en utilisant la variation de capacité qui apparaît lorsque la masse se déplace. Lors de la phase de mesure, quand une tension est appliquée sur les électrodes du MEMS, une variation de charge est app liquée à l’entrée de l’amplificateur de charge (Charge - to - Voltage : C2V). La particularité de cette architecture est que le C2V est partagé entre les trois axes, ce qui permet une réduction de surface et de puissance consommée. Cependant, étant donné que l e circuit ainsi que l’électrode mobile (commune aux trois axes du MEMS) sont partagés, on ne peut mesurer qu’un seul axe à la fois. Ainsi, pendant la phase d'amortissement, une tension de commande, calculée pendant les phases de mesure précédentes, est ap pliquée sur les électrodes d'excitation du MEMS. Cette tension de commande représente la différence entre deux échantillons successifs de la tension de sortie du C2V et elle est mémorisée et appliquée trois fois sur les électrodes d’excitation pendant la m ême période d’échantillonnage. Afin d’étudier la faisabilité de cette technique, des modèles mathématiques, Matlab - Simulink et VerilogA ont été développés. Le principe de fonctionnement basé sur l’amortissement électrostatique simultané a été validé grâce à ces modèles. Deux approches consécutives ont été considérées pour valider expérimentalement cette nouvelle technique : dans un premier temps l’implémentation du circuit en éléments discrets associé à un accéléromètre sous vide est présentée. En perspecti ve, un accéléromètre sera intégré dans la même cavité qu’un gyromètre, les capteurs étant instrumentés à l’aide de circuits CMOS intégrés. Dans cette cadre , la conception en technologie CMOS 0.18μm de l’interface analogique d’amortissement est présentée et validée par simulation dans le manuscrit.

Abstract

Recently, consumer electronic s industry has known a spectacular growth that would have not been possible without pushing the integration barrier further and further. M icro Electro Mechanical Systems (M EMS ) inertial sensors (e.g. accelerometers, gyroscopes) provide high performance, lo w power, low die cost solutions and are, nowadays, embedded in most consumer applications. In addition, the sensors fusion has become a new trend and combo sensors are gaining growing popularity since the co - integration of a three - axis MEMS acceleromete r and a three - axis MEMS gyroscope provide s complete navigation information. The result ing device is an Inertial measurement unit (IMU) able to sense multiple Degrees of Freedom ( DoF ) . Nevertheless, t he performances of the accelerometers and the gyroscope s are conditioned by the MEMS cavity pressure: the accelerometer is usually a damped system functioning under an atmospheric pressure while the gyroscope is a highly resonant system. T hus, t o conceive a combo sensor, a unique low cavity pressure is require d. The integration of both transducers within the same low pressure cavity necessitates a method to control and reduce the ringing phenomena by increasing the damping factor of the MEMS accelerometer. Consequently , the aim of the thesis is the design of a n analog front - end interface able to sense and control an underdamped three - axis MEMS accelerometer. This work proposes a novel closed - loop accelerometer interface achieving low power consumption . The design challe nge consists in finding a trade - off betwee n the sampling frequency, the settling time and the circuit complexity since the sensor excitation plates are multiplexed between the measurement and the damping phases. In this context, a patented damping sequence (simultaneous damping) has been conceived to improve the damping efficiency over the state of the art approach performances (successive damping). To investigate the feasibility of the novel electrostatic damping control architecture, several mathematical models have been developed and the settli ng time method is used to assess the damping efficiency. Moreover, a new method that uses the multirate signal processing theory and allows the system stability study has been developed. This very method is used to conclude on the loop stability for a cert ain sampling frequency and loop gain value. Next, a CMOS implementation of the entire accelerometer signal chain is designed. The functioning has been validated and the block may be further integrated within an ASIC. Finally, a discrete components system is designed to experimentally validate the simultaneous damping approach.

Mots-Clés / Keywords
Electrostatic damping; Inertial sensors; MEMS; Microelectronics; Amortissement électrostatique; Capteurs inertiels; Microélectronique;

140253
17151
03/05/2017

Conception de circuits RF en CMOS SOI pour modules d’antenne reconfigurables

D.NICOLAS

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier en co-tutelle avec CEA Grenoble, Mai 2017, 231p., Président: J.GAUBERT, Rapporteurs: T.TARIS, Examinateurs: E.LAUGA, J.VERDIER, Directeurs de thèse: T.PARRA, A.GIRY , N° 17151

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01591595

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Résumé

dans le contexte des applications mobiles, les contraintes de conception des chaînes d’émission toujours plus performantes et de taille réduite demandent de compenser la forte sensibilité des caractéristiques des antennes à leur environnement. En particulier, il est nécessaire de maîtriser l’impédance de l’antenne pour optimiser l’efficacité énergétique de la chaîne de transmission. Or, les solutions actuelles se montrent encombrantes. Dans cette thèse, plusieurs pistes basées sur l’implémentation de condensateurs variables ont été étudiées et ont conduit à la réalisation et la caractérisation de nouveaux dispositifs RF intégrés à même de participer à cet effort. Après une présentation du contexte et de l’état de l’art, nous proposons une étude de condensateurs variables basés sur la technique des capacités commutées. L’étude a permis la réalisation de deux condensateurs variables en technologie CMOS SOI 130 nm pour des applications d’adaptation d’impédance et d’antenne agile en fréquence. Un premier démonstrateur d’antenne fente agile en fréquence visant les bandes LTE situées entre 500 MHz et 1 GHz et utilisant ce type de condensateur a ensuite été réalisé puis validé. Un système d’accord permettant de corriger les désadaptations d’antenne a ensuite été étudié et a donné lieu à la réalisation de deux circuits intégrés en technologie CMOS SOI 130 nm. Le premier circuit est un détecteur d’impédance capable de fonctionner sur une gamme de puissance étendue de 0-40 dBm pour une plage de fréquences de 600 MHz-2,5 GHz. Le deuxième circuit intègre une version améliorée du détecteur avec un circuit d’adaptation variable autorisant la réalisation d’un système d’accord d’antenne autonome et compact représentant une avancée importante par rapport à l’état de l’art.

140153
17122
26/04/2017

Optimisation de blocs constitutifs d’un convertisseur A/N pipeline en technologie CMOS 0.18µm pour utilisation en environnement spatial

L.PERBET

OSE

Doctorat : INP de Toulouse, 26 Avril 2017, 196p., Président: J.D.LEGAT, Rapporteurs: Y.DEVAL, P.NOUET, Examinateurs: O.BERNAL, Directeur de thèse: H.TAP , N° 17122

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01524918

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Abstract

Imaging is a major issue in the observation of the Universe and the Earth from space, whether in the visible domain or not. Thus, in the spatial field, data is often gathered by a CCD (charge-Coupled Device) sensor, that supplies analog voltages to an Analog-to-Digital Converter (ADC), which outputs will be delivered to a processing chain, and then sent to earth. Consequently, ADCs are key elements in satellite imaging. Their precision and speed will indeed define the quality and the representativeness of the binary signal. It is then crucial to perform a high quality (speed & precision) conversion of the data, while making sure that the ADC can cope with the harsh irradiative environment. The purpose of this thesis is to improve the robustness to the space environment (hardening), while optimizing the performances, of several elementary devices that compose a 14 bits, 5MS/s pipeline ADC, made with the XFAB 180nm technology. The three targeted functions are the switches (especially the problems linked to coping with the charge injection problems in a space environment), the comparators (hardening) and the switched-capacitor amplifier (gain boosting through a predictive architecture with no penalty on the power consumption).

Résumé

L’imagerie constitue un axe majeur de l’exploration de l’univers et de la Terre depuis l’espace, que l’on se trouve dans le domaine du visible ou non. Ainsi dans le domaine spatial, les données sont le plus souvent récupérées par un capteur CCD (Charge-Coupled Device, ou Dispositif à Transfert de Charge (DTC)) qui fournit des tensions analogiques vers un convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la sortie sera transmise à une chaîne de traitement, puis envoyée sur terre. Ainsi, les CAN sont des éléments clés dans l’imagerie par satellite. De leur précision et de leur vitesse va dépendre la qualité de la représentativité de la chaîne de signaux binaires. Il est donc crucial de réaliser une conversion de données de grande qualité (vitesse, précision) tout en s’assurant de la résistance du CAN à l’environnement radiatif. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la robustesse à l’environnement spatial, tout en optimisant les performances, de plusieurs fonctions élémentaire d’un convertisseur analogique-numérique de type pipeline 14bits, 5MS/s, réalisées en technologie XFAB 0,18μm. Les trois fonctions ciblées sont les interrupteurs (notamment la résolution des problèmes liés au phénomène d’injection de charges en environnement spatial), les comparateurs (durcissement) et l’amplificateur à capacités commutées (amélioration du gain par une technique prédictive sans pénaliser la puissance consommée).

Mots-Clés / Keywords
Amplificateur; ASIC; CMOS; Comparateur; Convertisseur analogique-numérique; Environnement spatial; Interrupteur;

139793
17132
30/03/2017

Application des lasers fibrés à verrouillage de modes à la génération très haute fréquence à haute pureté spectrale

V.AUROUX

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 30 Mars 2017, 119p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: P.FERON, F.BRETENAKER, Examinateurs: A.LE KERNEC, G.SANTARELLI, T.M.PRIGENT VU, Directeurs de thèse: O.LLOPIS, A.FERNANDEZ , N° 17132

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01560899

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Résumé

Le développement technologique dans le domaine des télécommunications, ainsi que des systèmes de détection, a accru ces dernières années la nécessité de signaux de référence présentant une très haute pureté spectrale. L’augmentation des débits, la saturation des bandes de fréquence ainsi que les performances imposées pour la détection radar ont ouvert la voie à la génération micro-onde par l’optique. Ces références de fréquence sont souvent issues d’oscillateurs optoélectroniques (OEO). Ces oscillateurs intègrent un élément de stockage de l’énergie au travers de résonateurs ou de longues lignes à retard fibrées afin d’augmenter leur facteur qualité et permettant ainsi d’atteindre des performances supérieures aux signaux multipliés à partir de sources basses fréquences ou directement à partir d’oscillateurs micro-ondes à résonateur diélectrique (DRO). Une topologie originale d’oscillateurs optoélectroniques a été proposée à la fin des années 1990 par une équipe américaine : il s’agit de remplacer le résonateur passif nécessitant un verrouillage du laser sur ce dernier par un résonateur actif, intégrant un amplificateur optique. Ce résonateur actif, un laser à blocage de modes, permet un couplage entre l’oscillation optique du laser et l’oscillation optoélectronique. On parle alors d’oscillateur optoélectronique couplé (COEO). Les performances du COEO sont étroitement liées à la pureté spectrale du signal issu du laser à blocage de modes. Ce travail de thèse traite de l’étude et de l’optimisation de ces systèmes. Une étude approfondie sur le bruit dans les amplificateurs optiques a tout d’abord été menée afin de déterminer quel type d’amplificateur choisir pour le COEO et sous quelles conditions l’amplification optique apporte un bruit de phase minimal. Ensuite, un COEO à 10 GHz a été réalisé, présentant un très faible bruit de phase atteignant – 132 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse. Un modèle a par ailleurs été implémenté, permettant de déterminer a posteriori l’efficacité du couplage et ainsi la bande de verrouillage entre l’oscillation optoélectronique et le laser à blocage de modes. Ce couplage interne dépend fortement de la dynamique du système. Cependant, les différents effets non linéaires qui ont lieu dans l’amplificateur à semiconducteur et les fibres ne permettent pas d’obtenir un modèle analytique. Un modèle itératif a alors été proposé afin d’obtenir les propriétés de l’enveloppe complexe lentement variable du peigne de fréquence généré en sortie du laser dont la photodétection conduit à la puissance RF générée par le COEO. Le COEO génère un peigne de fréquence suffisamment large pour produire des harmoniques RF supérieurs à la fréquence de répétition du laser à blocage de modes, si les modes longitudinaux espacés de plusieurs intervalles spectraux libres (ISL) sont en phase. Le modèle itératif développé permet, à partir des paramètres expérimentaux de déterminer le spectre optique ainsi que la distribution de phase à l’intérieur de celui-ci. Il est possible alors d’augmenter la puissance d’une harmonique en sortie de la photodiode par un ajout d’éléments dispersifs. Cette multiplication de fréquence permet la génération de signaux à haute pureté spectrale en bande millimétrique. Une démonstration expérimentale à 90 GHz a été proposée, basée sur un COEO fonctionnant à 30 GHz. Ces résultats sont prometteurs et une intégration du COEO dans un boîtier thermalisé ainsi qu’une gestion plus fine de la dispersion des fibres peut permettre des améliorations significatives sur le bruit de phase du système.

Mots-Clés / Keywords
Lasers à modes verrouillés; Optique non-linéaire; Optique hyperfréquence;

139913
16565
19/12/2016

Flexible substrate technology for millimeter wave applications

Z.YANG

MINC

Doctorat : INSA de Toulouse, 19 Décembre 2016, 105p., Président: P.PONS, Rapporteurs: R.MULLER, G.PAPAIOANNOU, Examinateurs: A.GHIOTTO, Directeurs de thèse: D.DRAGOMIRESCU, A.TAKACS , N° 16565

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499425

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Résumé

Cette thèse fait partie des efforts de recherche pour étudier l’intégration hétérogène sur le substrat souple des nœuds de communicants pour les réseaux de capteurs sans fil dans la bande à 60GHz. Le System in Package (SiP) devrait avoir une consommation d'énergie très faible et être faible coût pour répondre aux exigences des applications telles que la Surveillance de Santé de Structure (Structure Health Monitoring - SHM en anglais) dans le domaine aéronautique par exemple. Chaque nœud est composé des nano-capteurs, des transceivers et des antennes d’émission et de réception. Les nanotechnologies ont permis le développement de nano-capteurs ultra-sensibles à base de nanoparticules. Les transceivers deviennent de plus en plus miniaturisés et donc permettre la possibilité de les reporter sur le substrat flexible. Les antennes peuvent être intégrés sur le substrat flexible avec les nano-capteurs développés et émetteurs miniaturisés, ce qui est l'approche très innovante de cette thèse.

Abstract

This thesis is part of research effort to develop a 3D heterogeneous integration of wireless sensor node on flexible substrate for the unlicensed 60GHz band. The System in Package (SiP) should have a very low power consumption and very low cost to meet the requirements of applications like Wireless Sensor Networks (WSNs) for Structure Health Monitoring (SHM). Using a flexible substrate for wireless sensor node integration can offer the advantage of being localized in areas with access difficulty especially in non-planar area. Each node is composed of nano-sensors, transceivers and TX/RX antenna. Nanotechnologies made it possible the development of ultra-sensitive nano-sensors based on nanoparticles deposition. Transceivers become more and more miniaturized and hence enable the possibility of postpone them onto flexible substrate. The antennas can be integrated on the flexible substrate along with the developed nano-sensors and miniaturized transceivers, which is the very innovative approach of this thesis.

Mots-Clés / Keywords
Heterogeneous integration; Flip-chip; Technological process on flexible substrate; Antennas on Kapton; Intégration hétérogène; Process technologic sur substrat souple;

139376
16477
15/12/2016

Microwave sources based on high quality factor optical resonators; Modeling, optimization and metrology

Z.ABDALLAH

MOST

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Décembre 2016, 150p., Président: V.GIORDANO, Rapporteurs: M.VALLET, A.L.BILLABERT, Examinateurs: G.CIBIEL, Directeurs de thèse: O.LLOPIS, A.FERNANDEZ , N° 16477

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Résumé

La technologie photonique-RF offre une alternative intéressante à l’approche purement électronique dans différents systèmes micro-ondes pour des applications militaires, spatiales et civiles. Un composant original, l’oscillateur optoélectronique (OEO), permet la génération de signaux RF stables et à haute pureté spectrale. Il est basé sur une liaison photonique micro-onde utilisée comme boucle de rétroaction et comportant soit une fibre longue, soit un résonateur à fort coefficient de qualité. Différentes études ont été menées au cours de cette thèse afin d’optimiser et d’améliorer la performance en termes de stabilité et de bruit de phase pour le cas de l’OEO à résonateur. La caractérisation fine et la modélisation des résonateurs est une première étape de la conception globale du système. La métrologie du résonateur optique est réalisée par une technique originale, dite de spectroscopie RF. Les résultats expérimentaux ont révélé que cette technique permet d’une part d’identifier le régime de couplage du résonateur et d’autre part de déterminer avec une grande précision tous les paramètres d’un dispositif résonant, comme les facteurs de qualité interne et externe ou les facteurs de couplage. Une deuxième étude a été orientée vers l’implémentation d’un modèle non-linéaire fiable du dispositif. Dans un tel modèle, la photodiode rapide nécessitait une description plus précise, dans le but de contrôler la conversion du bruit d’amplitude optique en bruit de phase de l’OEO. Un nouveau modèle non-linéaire d’une photodiode hyperfréquence a été développé sous un logiciel commercial: Agilent ADS. Ce nouveau modèle rend effectivement compte de cette conversion de bruit. Une puissance optique optimale à l’entrée de la photodiode a été déterminée, pour laquelle la contribution de 𝑅𝐼𝑁 du laser au bruit de phase RF pourrait être négligeable. La performance de l’OEO est affectée par diverses perturbations entrainant un décalage en fréquence entre la fréquence du laser et la fréquence de résonance du résonateur. Il est donc important d’utiliser un système de stabilisation pour contrôler cette différence de fréquence. Des séries d’expériences et de tests ont été menées pour étudier la possibilité, d’une part, de remplacer l’électronique commerciale utilisée auparavant pour le système de verrouillage en fréquence (boucle de Pound-Drever-Hall) par une électronique faible bruit et, d’autre part, d’utiliser un laser à semi-conducteur. Un bilan de ces approches est présenté.

Abstract

RF photonics technology offers an attractive alternative to classical electronic approaches in several microwave systems for military, space and civil applications. One specific original architecture dubbed as optoelectronic oscillator (OEO) allows the generation of spectrally pure microwave reference frequencies, when the microwave photonic link is used as a feedback loop. Various studies have been conducted during this thesis on the OEO, especially the one that is based on fiber ring resonators, in order to optimize and improve its phase noise performance and its long-term stability. Precise characterization and modeling of the optical resonator are the first step towards overall system design. The resonator metrology is performed using an original approach, known as RF spectral characterization. The experimental results have demonstrated that this technique is helpful for the identification of the resonator’s coupling regime and the accurate determination of the main resonator parameters such as the intrinsic and extrinsic quality factors or the coupling coefficients. A second study was directed toward implementing a reliable nonlinear model of the system. In such a model, the fast photodiode require an accurate description, in order to reduce the conversion of the optical amplitude noise into RF noise. A new nonlinear equivalent circuit model of a fast photodiode has been implemented in a microwave circuit simulator: Agilent ADS. This new model is able to describe the conversion of the laser relative intensity noise (𝑅𝐼𝑁) into microwave phase noise at the photodiode output. An optimal optical power at the photodiode’s input has been identified, at which the contribution of the laser 𝑅𝐼𝑁 in RF phase noise is negligible. When it comes to practical applications, the desired performance of an OEO is threatened by various disturbances that may result in a frequency shift of both the laser frequency and the transmission peak of the resonator, which causes a malfunction of the OEO. Therefore it is desirable to use a stabilization system to control the difference between the laser frequency and the resonator frequency. A series of tests and experiments have been carried out to investigate the possibility, on one hand, to replace the commercial servo controller that was used up until now in the Pound-Drever-Hall loop, with a low noise homemade one and, on the other hand, to use a semiconductor laser to reduce the system size. A detailed review of these approaches is presented.

Mots-Clés / Keywords
RF photonics; Optical resonator; Microwave sources; Phase noise; Modeling; Optique hyperfréquence; Résonateurs optiques; Sources micro-ondes; Bruit de phase; Modélisation;

138575
16481
06/12/2016

Nouveaux concepts de filtres spectraux ultra-sélectifs pour spectroscopie embarquée

K.SHARSHAVINA

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Décembre 2016, 174p., Président: V.PAILLARD, Rapporteurs: Y.JOURLIN, F.BAIDA, Examinateurs: A.TALNEAU, Directeurs de thèse: P.ARGUEL, A.L.FEHREMBACH , N° 16481

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451002

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Abstract

Guided Mode Resonance Filters ( GMRF ) are a new generation of narrowband optical filters and are a very promising alternative to conventional multilayer Fabry-Perot filters. The resonance peak of GMRF can be spectrally extremely thin and with a centering wavelength tunable according to the angle of incidence of the light. These properties are particularly important for spectroscopy. Previous works have helped to implement an original structure with two 1D crossed gratings. The performance of this filter overpasses those of conventional filters in their spectral subnanometric response, tunability and their ability to overcome the influence of the polarization of the incident wave under oblique incidence. The aim of this work is to explore the final performances of such devices in terms of resolution and rejection rate, thanks to an approach combining theory, fabrication technology and characterization. We present experimental results of a polarization independent reflective filter, tunable over 40 nm with a tunability of 8.3 nm/, having a reflection of 10−3 on a 90 nm range outside the resonance and a quality factor over 5000.

Résumé

Les filtres spectraux à réseaux résonants, ou GMRF (Guided-Mode Resonance Filters), sont une nouvelle génération de filtres à bande étroite et constituent une alternative très prometteuse aux filtres conventionnels multicouches Fabry-Pérot. Le pic de résonance d’un GMRF peut être très fin spectralement et de longueur d’onde de centrage accordable en fonction de l’angle d’incidence. Ces propriétés sont particulièrement importantes pour la spectroscopie. Les travaux antérieurs ont permis de mettre en oeuvre une structure originale comportant deux réseaux 1D croisés. Les performances de ce filtre surpassent celles des filtres conventionnels par leur réponse spectrale subnanométrique, leur accordabilité, et leur capacité à s’affranchir de l’influence de la polarisation de l’onde incidente sous incidence oblique. Le but de ce travail est d’explorer les performances ultimes de ce type de dispositif en termes de résolution et taux de réjection, par une approche mêlant théorie, technologie et caractérisation. Nous présentons des résultats expérimentaux d’un filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 40 nm avec 8,3 nm/ d’accordabilité, ayant une réflexion de 10−3 sur une plage de 90 nm en dehors de la résonance et un facteur de qualité supérieur à 5000.

Mots-Clés / Keywords
Filtre optique; Filtre spectral; Bande-étroite; Réseau résonnant; Indépendance à la polarisation; Accordabilité spectrale; Résonance de mode guidée; Sub-longueur d’onde; Nanophotonique; Nanoimprint; Spectroscopie embarquée; Spectroscopie infrarouge; Caractérisation spectrale; Optical filters; Spectral filter; Narrow band; Resonant grating; Polarization independence; Tunability; Guided-mode resonance; Subwavelength; Nanophotonics; Embedded spectroscopy; Infrared spectroscopy; Spectral characterization;

138593
16475
05/12/2016

Nouvelles architectures de composants photoniques par l'ingénierie du confinement électrique et optique

G.LAFLEUR

PHOTO

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 5 Décembre 2016, 150p., Président: A.MLAYAH, Rapporteurs: B.PANICAUD, S.BARBAY, Examinateurs: J.JACQUET, Directeurs de thèse: S.CALVEZ, G.ALMUNEAU , N° 16475

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01449561

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Abstract

Optical and electrical confinement using Al(Ga)As layer oxidation is a key milestone in the fabrication of active and passive GaAs-based photonic components. To optimize those devices, through the control of the optical and electrical confinements, a better modelling of oxidation process and a better understanding of optical properties of aluminum oxide (AlOx) is required. One part of this work is focusing on a throughout experimental study of AlGaAs oxidation kinetics, where I studied different important parameters such as wafer temperature, gallium composition, atmospheric pressure and mesa geometry. Then, I developed a new predictive model taking into account the process anisotropy, thus allowing a better temporal and spatial of AlAs oxidation front evolution. Finally, I could exploit this technological process to realize whispering gallery mode microdisks as well as slot optical waveguides, and I have characterized this latter photonic devices.

Résumé

Le confinement électrique et optique par oxydation des couches minces d’AlGaAs est une étape essentielle dans la réalisation des composants photoniques actifs et passifs dans la filière de matériaux GaAs. La recherche de performances ultimes sur ces composants nécessite une meilleure maîtrise du procédé d’oxydation ainsi qu’une meilleure connaissance des propriétés optiques de l’oxyde d’aluminium (AlOx). Dans cette perspective, j’ai d’abord réalisé une étude expérimentale de la vitesse d’oxydation des couches d’AlGaAs en fonction de la température du substrat, de la composition en gallium des couches étudiées, de la pression atmosphérique et de la géométrie des mesas considérés. Puis, j’ai établi un modèle anisotrope permettant une meilleure résolution spatiale et temporelle de la forme du front d’oxydation de l’AlAs. Enfin, j’ai exploité ce procédé pour réaliser des composants d’optique guidée notamment des micro-résonateurs puis réalisé des guides optiques à fente et caractérisé leurs performances optiques.

Mots-Clés / Keywords
Semi-conducteurs III-V; Confinement optique; Oxydation humide d’AlGaAs; Micro-résonateurs à mode de galerie; Guide optique à fente; III-V semi-conductors; Wet oxidation of aluminum arsenide; Optical confinement; Whispering gallery mode microdisks; Slot waveguides;

138553
16563
01/12/2016

Miniaturisation d'antennes très large bande pour applications spatiales

J.VALLEAU

MINC

Doctorat : INP de Toulouse, 1 Décembre 2016, 163p., Président: A.REINEX, Rapporteurs: C.DELAVEAUD, A.SHARAIHA, Examinateurs: P.POULIGUEN, Directeurs de thèse: H.AUBERT, A.BELLIO , N° 16563

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499316

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Abstract

Currently space applications require to embark more and more equipment to make the most complete missions possible. However, the space on satellites is a limited resource, therefore miniaturization of embedded electronics is a crucial requirement. In embedded applications covering several frequency ranges, use Ultra WideBand antennas (UWB) is a classic and effective solution to limiting the number of antennas and associated circuits. Therefore, the miniaturization of UWB antennas is a major scientific challenge. A miniaturization technique was recently discovered [1] - [3]. It consists to load an Archimedean spiral antenna by stacking coupled resonant rings. This technique allows a reduction of about 35% of the diameter of the antenna without significant degradation of radiating performances. The work of this thesis allows to improve the physical understanding of the role played by the rings in the miniaturization process. An equivalent circuit is developed on the basis of integral equations using extended test functions and the concept of surface impedance. This circuit simulates the electromagnetic response of the coupled and stacked rings 10 times faster than using commercial and rigorous simulation software. This time saving is employed to test a large number of solutions from which it is possible to identify the optimal structure for the miniaturization of the Archimedean spiral loaded with stacked resonant rings. To maximize the effect of coupled resonant rings in the miniaturization of the antenna, the choice of the resonant frequency of the rings is essential. This frequency must be low enough and allow the antenna to stay matched over the widest possible frequency band. The resonant frequency of the rings depends on the deployed perimeter of the rings. The perimeter length is fixed by the choice of the pattern and its number of repetitions along the rings. A quick methodology to select the most suitable pattern for the design of the miniaturized antenna is presented. This method and the equivalent electrical circuit enable a quick and optimized design of a miniature UWB antenna. The validation of this design methodology was done experimentally on the basis of several realizations.

Résumé

De nos jours les applications spatiales nécessitent d’embarquer toujours plus d’équipements afin de rendre les missions les plus complètes possibles. Cependant l’espace à bord des satellites est une ressource limitée et par conséquent, la miniaturisation de l’électronique embarquée est une nécessité cruciale. Dans les applications embarquées couvrant plusieurs plages de fréquence différentes, l’utilisation d’antennes ultra large bande (ULB) est une solution classique et efficace pour limiter le nombre d’antennes et de circuits associés. Leur miniaturisation présente donc un enjeu scientifique majeur. Une technique de miniaturisation consistant à charger une antenne spirale d’Archimède par un empilement d’anneaux résonants et couplés a récemment été découverte [1]-[3]. Elle permet une diminution de l’ordre de 35% du diamètre de l’antenne sans dégradation notable des performances en rayonnement. Les travaux de cette thèse permettent d’affiner la compréhension physique du rôle joué par les anneaux dans le phénomène de miniaturisation. Un circuit électrique équivalent est élaboré sur la base d’équations intégrales utilisant des fonctions d’essai étendues et le concept d’impédance de surface réactive. Ce circuit permet de simuler la réponse électromagnétique des anneaux empilés et couplés 10 fois plus vite qu’en utilisant des logiciels de simulation commerciaux et rigoureux. Ce gain de temps est mis à profit pour tester un nombre de combinaisons importants de solutions parmi lesquelles il est possible d’identifier la structure optimale pour la miniaturisation de la spirale d’Archimède chargée par des anneaux empilés et résonants. Pour maximiser l’effet des anneaux résonants couplés dans la miniaturisation de l’antenne, le choix de la fréquence de résonance des anneaux est crucial. Cette fréquence doit être suffisamment basse et permettre à l’antenne de rester adaptée en impédance sur la bande de fréquence la plus large possible. La fréquence de résonance des anneaux dépend du périmètre déployé des anneaux. Ce périmètre est fixé par le choix du motif de base et par le nombre de ses répétitions le long des anneaux. Une méthode rapide pour choisir le motif le plus adapté à la conception de l’antenne miniaturisée est présentée. Cette méthode et le circuit électrique équivalent permettent la conception optimisée et rapide d’une antenne ULB miniature. La validation de cette méthodologie de conception s’est faite expérimentalement sur la base de plusieurs réalisations.

Mots-Clés / Keywords
Miniaturisation; Antenne; ULB; Ultra large bande; Miniaturization; Antennas; Ultra-wideband (UWB);

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16329
13/10/2016

Etude des propriétés spectrales et spatiales de réflecteurs et coupleurs résonants

R.LABERDESQUE

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Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Octobre 2016, 209p., Président: D.DRAGOMIRESCU, Rapporteurs: E.CENTENO, Y.JOURLIN, Examinateurs: A.BOUCHIER, P.FERON, T.GACOIN, Directeurs de thèse: H.CAMON, A.MONMAYRANT , N° 16329

Non diffusable

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Abstract

The study is focused on the spectral and spatial properties of resonant grating structures. Resonant gratings in cavity are identified as structures allowing the fabrication of small-area and efficient reflectors and couplers. A model based on coupled mode theory has been developped, enabling fast modeling and design of this kind of structures. Thanks to this model we improved our understanding of the spectral and spatial properties of resonant gratings in cavity. In particular, we have established the relationship between the structure’s geometry and the spectral and spatial properties of the modes which efficiently interact with the structures when used as reflectors or as couplers. The design of coupling structures with high-quality factor and controlled spatial profiles on cm-sized surfaces has been studied. Two axis of research are presented : structures composed of several cavities and structures composed by one large cavity. The later ones allow a better control of the spatial properties both in intensity and phase. We demonstrate that these structures have a high potential for holography. Design of such structures with low contrast index is also considered, particularly the design and fabrication of polymer-based waveguiding structures.

Résumé

L’étude porte sur les propriétés spectrales et spatiales de structures à réseaux résonants. Les réseaux résonants en cavité sont identifiés comme des structures permettant la réalisation de réflecteurs et de coupleurs efficaces sur de petites dimensions. Un modèle basé sur la théorie des modes couplés a été développé permettant la modélisation et la conception rapide de ce type de structures. La modélisation a contribué à la compréhension des propriétés spectrales et spatiales de réseaux résonants en cavité. Elle permet notamment de faire le lien entre les propriétés spectrales et spatiales des modes pouvant interagir efficacement avec les structures utilisées comme réflecteurs ou coupleurs. La conception de structures couplantes à fort facteur de qualité et aux profils spatiaux contrôlés sur des surfaces de l’ordre du cm a été étudiée. Deux axes de recherches sont présentés : des structures composées de plusieurs cavités et des structures possédant une seule grande cavité. Ce dernier axe permet une plus grande maîtrise des propriétés spatiales en intensité et en phase. Il est démontré que ces structures ont un fort potentiel en holographie. La conception de telles structures avec des matériaux de bas indice est également abordée, en particulier la conception et la réalisation de guides d’onde en polymères qui sont la base de ces structures. Les dimensionnements déterminés par la modélisation sont compatibles avec des matériaux présentant de faibles sauts d’indice.

Mots-Clés / Keywords
Optique; Réseaux résonants; Coupleur; Réflecteur; Infrarouge; Modes couplés; Optic; Resonant gratings; Coupler; Infrared; Coupled modes;

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